李毅（福建省電力勘測設計院，福州350003）

百萬機組凝結水泵變頻器配置方案

李毅（福建省電力勘測設計院，福州350003）

長久以來，火電廠內(nèi)凝泵等輔機采用調(diào)節(jié)門方式控制流量，存在著巨大地電能損失，電廠為此每年需支付昂貴的成本。高壓變頻調(diào)速技術的出現(xiàn)為降低此類輔機的能耗提供了極好的解決方案，此項技術能夠通過改變電機的輸入電源頻率達到控制電機轉速以及運行功率的目的，使電機的功率隨著出力的降低而降低，因此有效的減少了電能損失。

變頻；百萬機組

1 前言

凝結水泵屬于火力發(fā)電廠中的高耗能設備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，只有通過改變擋板或閥門來調(diào)節(jié)壓力和流量，將造成很大能量損耗。所以，針對上述的能源浪費現(xiàn)象，在電廠中采用高壓變頻技術，是電廠節(jié)能降耗、提高競價上網(wǎng)競爭能力的有效途徑之一。

常規(guī)百萬機組工程每臺機組設置三臺50%凝結水泵，兩運一備，本文針對該方案的變頻器配置方案技術經(jīng)濟比較。

2 凝結水泵傳統(tǒng)運行方式

常規(guī)凝結水泵屬于定速運行方式，出口流量只能由控制閥門調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大，系統(tǒng)效率低，且經(jīng)常發(fā)生泄漏。因此，機組負荷降低時，減少水泵的出力，是降低能量損耗，提高水泵運行效率的重要舉措。

3 變頻器調(diào)速節(jié)能原理

異步感應電動機的轉速n與電源頻率f、轉差率s、電機極對數(shù)P間有如下關系：

變頻器是通過改變頻率的方式來改變轉速的。電動機的轉速與頻率之間近似為線性關系，從理論上分析調(diào)速范圍在0～100%內(nèi)，線性度都很好，因此變頻調(diào)速是調(diào)速應用的理想技術。

對于水泵，流量與轉速的一次方成正比，扭矩與轉速二次方成正比，而水泵的功率則與轉速的三次方成正比。當流量由100%降到70%，則轉速相應降到70%，而電機的功耗降到34.3%，也就是節(jié)約電能65.7%?？鄢y門調(diào)節(jié)時的功耗與額定功耗的差、轉速下降引起電機的效率下降等因素，節(jié)電效果也是非常顯著的。

4 高壓變頻器技術簡介

4.1 高-低-高型高壓變頻器

高-低-高型高壓變頻器，由輸入、輸出變壓器和低壓變頻器組成。由于經(jīng)歷兩次電壓變換，增加了電能損耗，影響了節(jié)能效果，并且占地面積大。由于這種技術難度相對較小，投資相對較低，故適用于功率小于200kW的高壓電動機。

4.2 高-高型高壓變頻器

高-高型直接輸出高壓，變頻器輸出沒有升壓變壓器。由于高-低-高變頻器存在中間環(huán)節(jié)，存在結構復雜、效率低、可靠性差等缺點，在工程中應用較少。高-高方式?jīng)]有變壓器這個中間環(huán)節(jié)，具有結構簡單、效率和可靠性較高等優(yōu)點，應用比較廣泛。

高-高型高壓變頻器按逆變器電路結構型式又分為以下三種：

4.2.1 三電平（中心點鉗位）型

三電平型系統(tǒng)具有制造成本較低，柜體尺寸較小的特點；但輸出諧波較高，不能直接應用與普通電機，輸入側需加濾波器。

4.2.2GTO/SGCT電流源型逆變器

GTO/SGCT電流源型逆變器系統(tǒng)具有系統(tǒng)結構簡單，可靠性高，輸出諧波低的特點；但低頻運行特性較差，功率因數(shù)低。

4.2.3 功率單元電壓串聯(lián)結構

單元串聯(lián)多電平變頻器具有功率因數(shù)高，輸出諧波最低，消除了諧波引起的轉矩脈動，電動機的發(fā)熱及噪音大大減少，可直接應用于普通電機，但結構復雜，成本高。

5 方案研究

假設每臺機組設置3臺50%凝結水泵，功率1600kW，兩運一備，當機組負荷大于50%時，運行2臺水泵；當機組負荷低于50%時，退出1臺水泵，僅運行1臺水泵。為節(jié)省投資，接線采用一拖二方式。接線有兩種方案，見圖1～2。

5.1 方案一

圖1 一拖二方式示意圖A

兩臺斷路器斷路器方案，一臺變頻器到兩臺電動機的切換通過隔離開關的投切實現(xiàn)。

為保證系統(tǒng)安全可靠運行，隔離開關連鎖如下：

QS2和QS3機械互鎖，QS5和QS6機械互鎖。QS1和QS4電氣互鎖；QS2和QS5電氣互鎖。

5.1.1 機組負荷大于50%時

正常運行方式：QS3斷開，QF1、QS1、QS2閉合，M1泵變頻運行；QF2、QS4、QS5斷開，QS6閉合，M2泵工頻備用；QF3閉合，M3泵工頻運行；

M1泵或變頻裝置故障：QF2閉合，M2泵工頻運行；斷開QF1、QS1、QS2，M1泵檢修或工頻備用；M3泵工頻運行。

5.1.2 機組負荷小于50%時

正常運行方式：QS3斷開，QF1、QS1、QS2閉合，M1泵變頻運行；QF2、QS4、QS5斷開，QS6閉合，M2泵工頻備用；QF3斷開，M3泵工頻備用；

M1泵故障：QF3閉合，M3泵工頻運行；斷開QF1、QS1、QS2，M1泵檢修；QS6斷開，QF2、QS4、QS5閉合，M2泵變頻運行，待M2泵轉速上升至能接納機組運行全部負荷后，QF3斷開，M3泵工頻備用；

變頻裝置故障：QF2、QS6閉合，M2泵工頻運行；或QF3閉合，M3泵工頻運行；斷開QF1、QS1、QS2，M1泵工頻備用。

正常運行時，M1、M2泵應做定期切換。當M1泵切換為M2泵時，切換順序為：QS6、QF2閉合，M2泵工頻運行；斷開QF1、QS1、QS2，然后再閉合QS3、QF1，M1泵工頻運行；斷開QF2、QS6，然后再閉合QS4、QS5、QF2，M2泵變頻運行；待M2泵轉速上升能接納機組運行全部負荷后，斷開QF1，M1泵工頻備用。

圖1方案具有以下優(yōu)點：

（1）在檢修變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全；

（2）相比圖2方案，節(jié)省了斷路器的投資，節(jié)約了占地面積。

5.2 方案二

圖2 一拖二方式示意圖B

該方案具有瞬時停電再啟動功能和飛車啟動功能，能夠實現(xiàn)工頻變頻自動互相切換和手動切換。具體步驟：

5.2.1 變頻切工頻，變頻啟動備用泵

（1）#1泵變頻運行，#2泵工頻備用。

（2）斷#1泵變頻運行開關4QF，合#1泵工頻開關斷路器1QF，將#1泵由變頻運行切換到工頻運行。

（3）合#2泵變頻開關5QF，變頻啟動#2備用泵。

（4）#2泵運行正常后，斷開#1泵斷路器1QF，停止#1泵。

5.2.2 工頻啟動備用泵，變頻切換備用泵

（1）#1泵變頻運行，#2泵工頻備用。

（2）合#2泵工頻開關斷路器2QF，啟動#2泵運行正常后。

（3）斷開#1泵變頻運行開關4QF，合#1泵工頻開關斷路器1QF，將#1泵由變頻運行切換到工頻運行。

（4）斷開#2泵工頻開關斷路器2QF，合#2泵變頻開關5QF正常后，將#2泵由工頻運行切換到變頻運行。

（5）斷#1泵工頻開關1QF，停止#1泵運行。

6 技術經(jīng)濟分析

圖1接線方案具有很高的可靠性。變頻器故障時，任何一臺泵都可在工頻狀態(tài)下運行，工藝系統(tǒng)可靠性不會降低；能實現(xiàn)各泵之間的自由切換，從而保證各泵隨時都處于良好的狀態(tài)。

投資上，圖1接線也是最節(jié)省的。在可靠性基本相當?shù)那闆r下，還可節(jié)省一套變頻裝置，節(jié)約接近一半的費用；和圖2的方案相比，節(jié)省了斷路器的投資。

表1 變頻器的理論運行模式

凝結水泵還需要滿足輔機密封水壓的要求，其揚程均不能小于330mh20左右。因此，凝結水泵采用變頻控制后的轉速不能過低，表2～3是凝結水泵采用傳統(tǒng)機械控制和變頻控制的大致電機功率。

表2 凝結水泵不采用變頻

表3 凝結水泵1臺工頻1臺變頻運行

根據(jù)以上三個表可以分別算出凝結水泵采用工頻運行和變頻運行每年需消耗的電能。

凝結水泵工頻運行，全年耗電量：

3200×2700+2856.8×1360+1600×800+1485×200=1410×104（kW·h）

凝結水泵1臺工頻1臺變頻運行，全年耗電量：

3200×2700+2440×1360+1600×800+1287.5×200=1349×104（kW·h）

采用變頻調(diào)速控制后，全年節(jié)省電能：

61×104（kW·h）

成本電價按0.30元/度考慮：

全年節(jié)省成本：61×104×0.3=18.3×104（元）

可見，采用變頻裝置后每臺機組每年可節(jié)約用電61萬度，節(jié)省成本近20萬元，效果非常顯著。

7 結論

長久以來，火電廠內(nèi)凝泵等輔機采用調(diào)節(jié)門方式控制流量，存在著巨大地電能損失，電廠為此每年需支付昂貴的成本。百萬機組凝結水泵采用變頻調(diào)速控制，從技術上看，采用一拖二接線方式，可靠性高、技術方案可行，從經(jīng)濟上看，每臺機組每年可節(jié)省接近20萬的成本，節(jié)能降耗的成果顯著，隨著電力電子功率元件工藝水平的提高、單位造價的下降，變頻器成本將越來越低，采用變頻控制將成為百萬機組凝結水泵控制方式的首選。

［1］葉東，電機學［M］.天津：天津科學技術出版社，1995：135～361.

［2］黃德華.變頻器在火電廠輔機的應用與經(jīng)濟性評價［J］.華北電力技術，2006（10）：34～45.

［3］李德林.變頻器在節(jié)能方面的應用和節(jié)能原理［J］.電氣開關，2006（01）：34～35.

TM921.51

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2095-2066（2016）30-0026-02

2016-10-12

李毅（1982-），男，福建福州人，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)電氣二次設計研究工作。